金属室温挤压成形中的流动规律.docx
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金属室温挤压成形中的流动规律
金属室温挤压成形中的流动规律
班级:
9131161502
学号:
8
XX:
安志恒
XX理工大学
材料科学与工程学院
2016.5.30
1.实验目的
(1)掌握挤压变形过程中金属流动规律的一般测量方法。
(2)学会分析考察轴对称挤压时金属流动区域的特性和产生原因。
(3)学会计算金属沿挤压轴向的应力、应变值,并绘制其分布图。
(4)学会分析考察变形过程挤压力的变化情况,掌握测量挤压时挤压力的一般测量方法。
(5)了解挤压模具模孔设计不当,可能引起金属出模孔时发生弯曲等的原因。
2.实验原理
研究金属在挤压时的挤压力变化规律是非常重要的,因为挤压制品的组织性能、表面质量、形状尺寸和工模具的设计原则都与其密切相关。
影响挤压力的因素有:
金属材料的变形抗力、摩擦与润滑、温度、工模具的形状和结构、变形程度与变形速度等。
挤压力的变化规律如图1所示。
挤压力
行程
图1挤压力随着挤压轴行程变化
研究挤压时金属流动规律的实验方法有很多种:
如坐标网格法、观察塑性法、金相法、光塑性法、莫尔条纹法、硬度法等,其中最常用的是坐标网格法。
多数情况下,金属的塑性变形是不均匀的。
若将变形体分割成无穷多的单元体,如果单元体足够小,则可近似认为是此单元体发生的是均匀变形。
因此可借均匀变形理论来解释不均匀变形过程,此即为坐标网格法的理论基础。
此法中,网格应尽可能小,但考虑到单晶体的各向异性的影响,一般取边长为5mm,深度为1~2mm。
坐标网格法是研究金属塑性变形分布应用最广泛的一种方法,其实质是把模型毛坯制成对分试样,变形前在试样的一个剖分面上刻上坐标网如图2所示。
变形后根据网格变化计算相应的应变,也可由此得到应变分布。
坐标网可划成正方形或圆形,其尺寸根据坯料尺寸及变形程度确定,一般在2~10mm之间。
图3为挤压成形后纵剖面的网格变化情况。
图2挤压之前剖分面上的坐标网格
图3挤压后剖分面上的坐标网格,坐标原点可以设在左下角,以使最终应变分布曲线分布在第一象限
图4为金属挤压变形后单元坐标网格的变化。
如图4a所示,在正方形坐标网格内刻有内切圆。
若变形时坐标面上无剪应力,则正方形变成了矩形,内切圆变成了内切椭圆(图4b),椭圆轴的尺寸和方向反映了主变形的大小和方向(即主轴的方向)。
若坐标面上作用有剪应力,则正方形变成了平行四边形,内切圆变成了内切椭圆,切点不在椭圆的顶点(图4c),椭圆的轴与新的主应力方向重合,只要测出变形后椭圆的尺寸r1、r2,便可按照下式计算应变ε1和ε2,即
(1)
如果r1、r2难以测准,则可测量平行四边形的边长a1,b1和剪切角γ,然后由下面关系式换算出r1和r2,即
(2)
(3)
依次测量挤压成形后试样纵剖面不同结点位置平行四边形的边长a1,b1和剪切角γ,代入上述表达式
(1),
(2)和(3)即可获得该结点对应的应变,然后依次对结点进行计算,最后画出金属挤压成形的应变分布图。
图4单元坐标网格变形情况(a)变0形前(b)无剪应力变形后(c)有剪应力变形后,其中实线框为剪应力较小的情况,虚线框为剪应力较大的情况
3.实验设备、材料
3.1实验设备
此实验主体设备为YJQ-500B金属卧式正向挤压机,最大主缸压力500吨,能够进行室温及加热条件下的棒材和管材挤压等操作。
图5YJQ-500B卧式挤压机外观
模具:
金属正挤成形专用模具,挤压筒入口直径80mm,出口直径30mm
3.2实验材料
工业纯铅,Φ78×70mm·mm;润滑剂选用石墨与二硫化钼的机械混合物。
4.实验内容与步骤
(1)选取一套剖分好的纯铅试样,测量并记录实际试样尺寸。
(2)将试样分开并进行拍照,对原始坐标网格进行计算。
(3)用粉笔灰对坐标网格进行填充,以便清晰反映变形流线。
(4)将样品放入卧式挤压机挤压筒内。
(5)安装好挤压模具。
(6)开机,接通挤压机主电源,5秒内打开电机开关。
合模、挤压杠进,对剖分试样进行室温挤压变形。
当挤压杠前进位置接近限位开关时完成挤压变形。
挤压杆退,开模、停电机、断开电源,分步操作。
最后对变形后试样进行剪切。
(7)对纯铅棒中心剖面的网格进行拍照、计算并分析前后的变化。
5.实验注意事项
(1)自备相机、直尺等。
(2)准备彩色粉笔末
(3)遵守实验室规章制度,安全规X操作。
(4)不能穿拖鞋进实验室。
6.实验报告
6.1挤压前后剖分试样及流动规律
图6挤压前剖分试样
图7挤压后剖分试样
金属流动规律:
正挤压时材料的流动方向与施力方向相同,金属坯料与挤压筒壁之间的滑动存在摩擦力。
正挤压时的材料流动一般可分为如下三个阶段:
(1)开始挤压阶段坯料受轴向比力后,首先使坯料填满挤压筒和模孔,挤压力直线上升.
(2)基本挤压阶段在轴向力继续作用下,坯料的任一断面上的各质点,均以相同速度或以—定的速度差进入变形压缩锥。
坯料的外层流出模口后,仍处于制件的外层,而不会流入制件的中心。
靠近垫片和模子角落处的坯料不流动,形成死区。
挤压时,变形区内的坯料呈三向应力状态,即轴向压应力、径向压应力和周向压应力。
(3)终了阶段是指挤压筒内坯料长度小到接近变形区压缩锥的高度时。
此时压力重新升高,外层坯料向中心急潮流动,“死区”的积料也开始流向模孔,形成“挤压缩层”的。
6.2定量计算
6.3问题、意见与建议
实验中,可以考虑通过蘸取荧光液对样品网格进行标记,同时人工取样品耗时耗力,建议可以反向取样来达到目的。
7.思考题
1、金属在室温进行挤压变形时,哪些因素会影响金属的流动?
请分别进行描述。
(1)摩擦与润滑的影响:
用表面粗糙磨损的挤压筒内衬挤压时,金属流动不均匀;无润滑挤压时,产生很大的摩擦阻力,变形扩展很深,金属流动不均匀;润滑挤压时,摩擦阻力小,变形区在模子附近,金属流动较均匀;挤压管材时,锭坯中心部分受穿孔针摩擦力和冷却作用,降低了其流动速度,挤压管材时比挤压棒材金属流动要均匀。
(2)锭坯温度与挤压筒温度的影响:
对多数金属,如黄铜等,随着锭坯温度升高,摩擦系数增大,金属流动不均匀。
由不同合金的导热性不同,纯铜的导热系数较高,锭坯内外层金属的温差较小,使变形抗力接近一致。
而导热性低的合金,锭坯断面上温度若分布不均匀,金属的变形抗力也不同。
温度的改变,使合金可能发生相变,影响金属流动的均匀性。
挤压筒温度升高,金属流动趋于均匀。
因为挤压筒温度升高,使锭坯内外层温度差减小,挤压时金属内外层变形抗力趋于一致,使得挤压过程中的金属流动均匀。
对传热系数低的金属,锭坯径向上的温度分布和硬度分布都很不均匀,其金属流动不均匀程度严重。
(3)挤压工具形状和结构的影响:
挤压生产时,最常用的挤压模具有两种类型:
平模和锥模。
模角增大挤压时死区高度增大,金属流动间的摩擦作用增大,当模角增大到90°时,金属流动最不均匀,所以,锥模挤压时要比乎模挤压时金属流动均匀。
(4)变形程度与挤压速度的影响:
变形程度增加时,锭坯中心层与表层金属的流动速度差增加,金属流动的均匀性下降。
金属流出速度与延伸系数成正比例增加,一般是挤压速度大,金属不均匀流动加剧,由于挤压速度大来不及软化,从而加快了加工硬化,使金属塑性降低。
此外,挤压速度的提高,增加了变形热效应,使锭坯温度升高,有可能进入高温脆性区,降低了金属加工塑性。
(5)金属强度特性的影响:
强度高的金属比强度低的金属流动均匀,对同一种金属,低温时强度高,其金属流动要比高温时的均匀。
2、对本实验中可能造成误差的各个因素进行分析与讨论,提出改善误差的方法与手段等。
造成误差的因素可能有:
在使用网格法时,用粉笔涂抹网格造成的模糊,以及网格的本身有一定的宽度,使得在标定变形流线时出现误差。